地震波作用下海底管線彎管抗震設(shè)計(jì)方法

1、第29卷第1期2008年1月石油學(xué)報(bào)ACTAPETROLEISINICAVol.29Jan.No.12008基金項(xiàng)目:中國海洋石油總公司“十五”重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“海底管線抗震設(shè)計(jì)方法研究”(CN00CRC2DEI220022003)資助。作者簡介:段夢蘭男1966年2月生1993年獲石油大學(xué)(北京)石油與天然氣機(jī)械工程博士學(xué)位現(xiàn)為中國石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心教授主要從事海洋工程、結(jié)構(gòu)工程、固體力學(xué)等方面的研究工作。E2mail:

2、mlduan@cup.edu.cn文章編號:025322697(2008)0120143206地震波作用下海底管線彎管抗震設(shè)計(jì)方法段夢蘭1岳志勇2崔玉軍3賈旭3孫政策4(11中國石油大學(xué)海洋油氣研究中心北京10224921北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系北京10087131中海石油研究中心北京10002741復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系上海200433)摘要:根據(jù)海底管道鋪設(shè)環(huán)境的實(shí)際情況建立了海底管道簡單彎管的力學(xué)模型并用地震最大加速度法求得包含

3、1個(gè)動力安全系數(shù)的工程設(shè)計(jì)計(jì)算公式。用加速度時(shí)程曲線法對彎管的動力學(xué)方程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算同時(shí)使用有限元軟件驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果為動力安全系數(shù)的選擇提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:地震波海底管線彎管設(shè)計(jì)方法力學(xué)模型數(shù)值計(jì)算中圖分類號:TE873文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADesignmethodfsubseaspoolsagainstearthquakewavesDUANMenglan1YUEZhiyong2CUIYujun3JIAXu3SUNZhengce4(1.O

4、ffsheOil2gasResearchCenterChinaUniversityofPetroleumBeijing102249China2.DepartmentofMechanicsEngineeringPekingUniversityBeijing100871China3.CNOOCResearchCenterBeijing100027China4.DepartmentofMechanicsEngineeringFudanUniv

5、ersityShanghai200433China)Abstract:Amechanicalmodelofsimplesubseaspoolswasdevelopedaccdingtomarinewkingenvironment.Asimplefmulacontainingadynamiccoefficientwasobtainedbythemaximumseismicaccelerationapproach.Thedynamicequ

6、ationwasnumericallyresolvedbyusingthedataofearthquakewaves.Thenumericalcalculationresultsverifiedbythefiniteelementmethodcanbeem2ployedtodeterminethedynamiccoefficient.Keywds:earthquakewavessubseapipelinespooldesignmetho

7、dmechanicsmodelnumericalcalculation對于海底管線在地震作用下的安全問題近年來愈來愈受到國內(nèi)外研究人員的重視[125]。我國的海底管線設(shè)計(jì)參照《日本陸地管線抗震規(guī)范》而按該規(guī)范得到的管線應(yīng)力大大超出海底管線的實(shí)際地震應(yīng)力計(jì)算出的地震應(yīng)力沒有考慮管線結(jié)構(gòu)尺寸。大量地震災(zāi)害表明管線的接頭和轉(zhuǎn)角處比較脆弱容易在地震中損壞。對海底管線彎管部分的抗震設(shè)計(jì)問題已有一定的研究成果[6210]但至今還沒有成熟的抗震設(shè)計(jì)規(guī)

8、范。筆者在靜力設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上建立符合實(shí)際工程情況邊界條件的簡單彎管的力學(xué)模型采用由解析方法得到的簡單彎管的面內(nèi)振動的動力學(xué)方程將地震載荷作簡化處理給出形式上簡單、設(shè)計(jì)人員易于計(jì)算的彎管地震應(yīng)力計(jì)算公式。1彎管的簡化力學(xué)模型管線高溫輸送原油時(shí)很容易產(chǎn)生屈曲破壞。因此從采油平臺到埋設(shè)管線之間的連接管線一般采用膨脹彎管形式(圖1)。在圖1(a)中管線的J點(diǎn)在x向和y向受到采油平臺的約束z向?yàn)楣芫€的縱向延伸到采油平臺的頂部K點(diǎn)被固定。但因?yàn)楣?/p>

9、線的縱向伸縮剛度很大管線z向受到了很強(qiáng)的約束從而可以近似假定J點(diǎn)固定。立管JIH段管線懸空HFD段管線平鋪在海底表面從D點(diǎn)開始管線逐漸埋入土壤中(D點(diǎn)也可近似地認(rèn)為固定在土壤地基上)。由于HFD段管線平鋪在海底表面HJ段管線懸空并且整個(gè)彎管部分較長因而一般要在管線的H、G、F點(diǎn)施加約束。例如:第1期段夢蘭等:地震波作用下海底管線彎管抗震設(shè)計(jì)方法145對天津罕見波加速度時(shí)程曲線的頻譜分析發(fā)現(xiàn)譜中低頻幅值較大在地震中起主要作用高頻幅值較小對

10、結(jié)構(gòu)物的影響也較小。這表明頻率較低的結(jié)構(gòu)更容易在地震中產(chǎn)生較大的應(yīng)力而破壞。3地震載荷作用下彎管的力學(xué)分析由于海底彎管的曲率半徑一般取為橫截面半徑的10倍以上因此可以用彎管形心軸線來表示整個(gè)彎管并近似認(rèn)為彎管形心軸和中性軸重合。FG段管線力學(xué)模型如圖3所示。圖3簡單彎管力學(xué)模型Fig.3Simplifiedmechanicalmodelofbendedpipeline彎管兩端邊界條件中的等效彈簧常數(shù)可以用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的單位荷載法確定。將地

11、震力等效為沿管線線性均布的靜載荷fx和fy其表達(dá)式為fx=ρSaxfy=ρSay式中:ρ為彎管密度kgm3S為彎管截面面積m2ax和ay分別為地震加速度時(shí)程曲線中沿x、y方向的最大加速度ms2。對于小曲率彎管其彎曲正應(yīng)力公式可以近似表示為[11]σ=MyI1(1)式中:σ為彎曲正應(yīng)力PaM為截面彎矩Nmy為截面內(nèi)距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離mI為慣性矩m4。圖3中力學(xué)模型為超靜定模型可以涵蓋各種情況的邊界條件。例如取沿x、y和θ方向的剛度系數(shù)kGx

12、=kGy=kGθ=∞則G為固定端令kGx=kGy=∞kGθ=0則G點(diǎn)為鉸支。對該超靜定問題由力的平衡方程得QFTG12πrfx=0(2)TFQG12πrfy=0(3)TFrMFTGrMGfxr2cosπ2fyr2sinπ2fxr2=0(4)式中:TF和TG為軸力NMF和MG為彎矩NmQF和QG為剪力Nr為彎管曲率半徑m。設(shè)彎管端點(diǎn)F在端部彈簧力作用下的位移和轉(zhuǎn)角分別為uFxuFyθFz由FG段管線的剛體轉(zhuǎn)動而引起G點(diǎn)相對于F點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)

13、角分別為uGFx1uGFy1θGFz1由FG段彎管所受的外力和G端支反力作用而引起的G點(diǎn)相對于F點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)角分別為uGFx2uGFy2θGFz2。G點(diǎn)總的位移和轉(zhuǎn)角為uGx=uFxuGFx1uGFx2uGy=uFyuGFy1uGFy2θGz=θFzθGFz1θGFz2(5)式(5)即為位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)方程。其中位移的正方向取圖3中對應(yīng)的x軸、y軸的正方向轉(zhuǎn)角的正方向取逆時(shí)針方向而軸力、剪力、彎矩的正方向均與圖3中所標(biāo)示的方向一致。在式

14、(5)中G點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)角又等于G點(diǎn)在G端彈簧力作用下引起的位移和轉(zhuǎn)角即:uGx=TGkGxuGy=QGkGyuGθ=MGkGθ(6)F點(diǎn)在F端彈簧力作用下引起的位移和轉(zhuǎn)角為uFx=QFkFxuFy=TFkFyuFz=MFkFθ(7)由FG段管線的剛體轉(zhuǎn)動而引起G點(diǎn)相對于F點(diǎn)的位移(圖4)為uGFx1=rθFz=rMFkFθuGFy1=rθFz=rMFkFθθGFz1=0(8)考慮F端固定不動FG段彎管在均布力fx、fy和G端作用力TG、